動態(tài)微型京劇戲臺的設(shè)計

侯怡帆，楊淇善*，梁楷銘，劉興宇，劉凱威

（北京工業(yè)大學，北京）

引言

我國豐富的傳統(tǒng)文化中，京劇是重要的構(gòu)成元素之一[1]。隨著新興的藝術(shù)形式出現(xiàn)，京劇藝術(shù)的吸引力逐漸降低，傳承與發(fā)展遇到了一定的挑戰(zhàn)[2]。動態(tài)裝置是局部或整體具有活動、交互能力的藝術(shù)作品，能夠提升文化藝術(shù)的感染力和吸引力[3]。本文以Arduino Mega 2560 開發(fā)板為核心，設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有動態(tài)效果的微型戲臺，具有良好的觀賞性與創(chuàng)意性，可增強京劇文化對普通受眾的吸引力。

1 戲臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型戲臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合考慮舞臺效果與人機交互中的主要因素，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 微型戲臺結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

戲臺尺寸應(yīng)依據(jù)視距、視野等計算合適的參數(shù)范圍[4]。在雙眼觀看的條件下，最佳視區(qū)的水平夾角約為25°，垂直夾角約為15°[5]。最佳視距設(shè)定為0.5 m，最佳視區(qū)的水平寬度約為0.466 m，垂直高度約為0.268 m，面積約為0.098 m2。綜合框架材料厚度、底座高度等因素，則微型戲臺整體的設(shè)計水平寬度為0.5 m、垂直高度為0.35 m。

根據(jù)不同的場景，系統(tǒng)可設(shè)置為普通模式和觀賞模式。普通模式中，系統(tǒng)循環(huán)演播劇目內(nèi)容。觀賞模式中，正面0.5 m 范圍內(nèi)有觀眾時演播劇目內(nèi)容。若觀眾離開，則立刻暫停當前的劇目。

2 硬件電路設(shè)計

Arduino Mega 2560 開發(fā)板基于微控制器ATmega2560 設(shè)計，擁有54 個數(shù)字信號引腳，并支持UART、I2C 和SPI 等多種標準的通信接口[6]。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

兩個28BYJ-48 步進電機帶動角色模型底部的齒條實現(xiàn)移動，同時，人物模型上放置LED，以突出當前唱詞所對應(yīng)的角色。

戲臺兩端分別放置音頻模塊DY-SV5W，并掛載3 W 的揚聲器，通過兩個UART 接口分別控制。

在0.5 m 視距條件下，黑體12 號字可被人眼準確識別[7]。戲臺正面安裝0.96" OLED 顯示屏，其內(nèi)置支持I2C 通信接口的SSD1315 控制芯片。

通過輕觸按鍵可實現(xiàn)開機、關(guān)機、播放、暫停、音量調(diào)節(jié)和運行模式切換等基本的控制功能。此外，包含兩個指示運行模式的LED。

采用超聲波測距模塊HC-SR04 與人體熱釋電傳感器HC-SR505 的數(shù)據(jù)綜合判斷是否有觀眾在適宜的距離內(nèi)。

戲臺內(nèi)頂安裝全彩LED 柔性燈帶，內(nèi)置SK6812控制芯片。

3 控制程序設(shè)計

控制程序采用有限狀態(tài)機的設(shè)計方法進行構(gòu)建。系統(tǒng)上電后，進入待機狀態(tài)STANDBY。當用戶按下“開機”按鍵后，系統(tǒng)進入演播的相關(guān)狀態(tài)。演播過程以角色的唱詞段落劃分為38 個狀態(tài)，即PART_1 至PART_38，并根據(jù)劇目內(nèi)容順序跳轉(zhuǎn)。狀態(tài)PART_38 執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)進入劇終狀態(tài)PART_END，將軟、硬件狀態(tài)恢復(fù)為開場就緒的情況。隨后，跳轉(zhuǎn)至PART_1 重新演播劇目。處于狀態(tài)PART_1至PART_38 時，若用戶按下“暫停”按鍵則進入暫停狀態(tài)PAUSE_K，觀賞模式下離開則進入暫停狀態(tài)PAUSE_P，按下“關(guān)機”按鍵則進入重置狀態(tài)RESET。在兩個暫停狀態(tài)下，若用戶按下“播放”按鍵或觀賞模式下返回，系統(tǒng)將跳轉(zhuǎn)回前一個狀態(tài)繼續(xù)演播劇目。在狀態(tài)PAUSE_P下，若長時間無觀眾觀看則跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)RESET。狀態(tài)RESET 與狀態(tài)PART_END 的功能相似，執(zhí)行完畢后跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)STANDBY。控制程序的系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計見圖3。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計圖

3.1 主函數(shù)

主函數(shù)中首先根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài)對若干前置條件進行判斷，并更新標記變量或系統(tǒng)狀態(tài)值。前置條件判斷完成后，執(zhí)行系統(tǒng)狀態(tài)機中相應(yīng)狀態(tài)分支的任務(wù)函數(shù)。最后，記錄當前系統(tǒng)已運行時間，用于劇目演播的同步控制。主函數(shù)流程圖見圖4。

圖4 主函數(shù)流程圖

3.2 任務(wù)函數(shù)

系統(tǒng)中每個狀態(tài)均有對應(yīng)的任務(wù)函數(shù)，可分為四類：演播任務(wù)、暫停任務(wù)、重置任務(wù)和待機任務(wù)。各個系統(tǒng)狀態(tài)進一步劃分為任務(wù)子狀態(tài)機。

演播任務(wù)函數(shù)的子狀態(tài)機以劇目內(nèi)容及時間節(jié)點為主要因素，將各個硬件功能模塊需要完成的控制工作劃分為多個動作子狀態(tài)。每個動作子狀態(tài)之間加入等待子狀態(tài)，控制下一個動作執(zhí)行時間。同時，通過系統(tǒng)狀態(tài)值與時間判斷是否需要跳轉(zhuǎn)至其他系統(tǒng)狀態(tài)。

當進入暫停任務(wù)狀態(tài)時，暫存各個軟、硬件功能模塊的參數(shù)，以備恢復(fù)演播狀態(tài)后使用。同時，記錄當前任務(wù)函數(shù)運行時間值。若暫停時間超過閾值，則更新系統(tǒng)狀態(tài)值跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)RESET。

重置任務(wù)負責恢復(fù)各個軟、硬件功能模塊的初始狀態(tài)。該任務(wù)運行期間不響應(yīng)中斷，以保證代碼能夠完整執(zhí)行。

待機任務(wù)中僅記錄待機的時間值。若待機時間超過閾值，則提示用戶關(guān)閉電源。

4 系統(tǒng)測試

測試工作可分為前期的功能模塊測試與后期的用戶實際測試兩部分。

4.1 硬件基本測試

針對各個硬件模塊獨立測試，驗證函數(shù)庫及控制方法的正確性。系統(tǒng)中的步進電機、音頻模塊、LED、按鍵、OLED 顯示屏、全彩LED 燈帶、測距模塊和人體感應(yīng)模塊等功能測試均符合預(yù)期。

4.2 唱詞與字幕匹配

由于各個硬件器件的響應(yīng)時間不一致，為保證唱詞與字幕的時間點匹配，需對代碼執(zhí)行至實際功能有效的延遲時間進行測試。

經(jīng)測試，唱詞延時總平均值約為765 ms，最大值為782 ms。字幕延時總平均值約為36 ms，最大值為50 ms。因此，執(zhí)行唱詞播放代碼約730 ms 后執(zhí)行字幕顯示代碼，可使唱詞與字幕的匹配達到感官適宜的程度。

4.3 觀眾檢測

觀賞模式中，需檢測0.5 m 范圍內(nèi)有無觀眾在場。根據(jù)不同距離與角度，均以20 次測量結(jié)果的準確率進行分析，測試結(jié)果見表1。

表1 觀眾檢測準確率

采用滑動閾值法可準確的檢測當前有無觀眾。但是，當夾角度數(shù)達到45°，即超聲波反射信號夾角明顯大于15°后，在邊界值0.5 m 處會出現(xiàn)一定的誤判。

4.4 用戶測試

以用戶實際使用檢驗系統(tǒng)是否能夠正常運行并完成既定的功能，實物見圖5。

圖5 微型戲臺實物圖

首先，以普通模式完整演播劇目。第二次測試時，用戶多次進行暫停、調(diào)節(jié)音量等操作。第三次測試時，系統(tǒng)調(diào)整為觀賞模式，用戶多次離開和返回。經(jīng)測試，微型戲臺可完整地實現(xiàn)劇目演播、用戶交互操作響應(yīng)等功能，驗證了設(shè)計的可行性及開發(fā)工作的正確性。

5 結(jié)論

良好的創(chuàng)意設(shè)計能夠影響人們的思想和觀念[8]。利用Arduino Mega 2560 開發(fā)板所實現(xiàn)的微型京劇戲臺是開源硬件與傳統(tǒng)藝術(shù)的結(jié)合，充分發(fā)揮動態(tài)裝置的優(yōu)勢，具有一定的創(chuàng)意性，有利于京劇文化的傳播與推廣。